L'orologio a pendolo è un dispositivo per la misura del trascorrere del tempo basato sulla regolarità dell'oscillazione (isocronismo) di un pendolo meccanico. Attualmente, a partire dal XX secolo, questo strumento è stato superato in precisione dall'orologio al quarzo prima e dall'orologio atomico poi, ma continua ad avere un certo impiego per la sua valenza estetica ed artistica. Alcuni modelli sono infatti incassati in pregiati mobili in legno e sono considerati pregevoli opere di meccanica artigianale di precisione. Esistono pezzi dotati di elaborate suonerie, organi musicali e complessi meccanismi scenografici animati.

Le dimensioni spaziano da piccoli oggetti da scrivania, alle pendole da salotto, fino ai grandi meccanismi da torre.

Storia

La regolarità nel moto del pendolo fu studiata da Galileo Galilei nel XVII secolo, ma l'invenzione dell'orologio a pendolo è attribuita a Christiaan Huygens che ne depositò il brevetto nel 1656. La fabbricazione iniziò nel 1657 per opera di artigiani olandesi ed ebbe rapida diffusione.

Nel XVIII secolo si ebbero diversi importanti artigiani che realizzarono orologi di eccellente fattura, di grande valore per i materiali usati e dagli effetti scenografici delle suonerie. Un esempio pregevole è conservato al Museo dell'Ermitage di San Pietroburgo e rappresenta un pavone meccanico in oro che canta allo scoccare delle ore con incredibile realismo.

Funzionamento

Il cuore dell'orologio è il pendolo, costituito da una barra di metallo o legno incernierata su un fulcro e con una massa collocata all'estremità libera. Poiché il periodo di oscillazione dipende dalla distanza tra il fulcro ed il baricentro del pendolo, la massa è in genere scorrevole lungo la barra, allo scopo di potere tarare lo strumento. La dilatazione termica agisce alterando la lunghezza del pendolo e variandone quindi il periodo in funzione del variare della temperatura.

Per convertire il moto alternato del pendolo in una rotazione regolare di ingranaggi, necessaria per ruotare le lancette, e contemporaneamente fornire al pendolo energia cinetica per compensare le perdite per attrito, sono stati inventati diversi meccanismi, chiamati scappamenti.
Esistono vari tipi di scappamenti, ma in generale sono costituiti da una ruota dotata di speciali denti su cui si inserisce un meccanismo solidale all'asse del pendolo. La ruota è sottoposta ad una coppia di forze trasmessa da una molla oppure da un rullo con una corda avvolta cui sia attaccato un peso.
Lo scappamento fa sì che quando il pendolo si trova ad una estremità del suo percorso viene spinto nella direzione opposta, e contemporaneamente la ruota dentata avanza di uno scatto. Una volta che il pendolo è giunto all'estremo opposto della traiettoria il processo si inverte e la ruota avanza di un altro scatto. La sequenza si ripete indefinitamente fino a quando è fornita energia dalla molla o dalla caduta del peso.

Il rapporto fra denti e pignoni determina il numero dei giri che ogni ruota deve compiere, per esempio la ruota di centro o dei minuti deve compiere un giro in un'ora. Per poter posare la lancetta delle ore si è reso necessario aggiungere un ulteriore ingranaggio composto da 3 ruote chiamato minuteria. Quest'ultimo è un ingranaggio demoltiplicatore, cioè ha un rapporto di 12 giri a 1 (12:1) per i quadranti a 12 ore e di 24 giri a 1 (24:1) per i quadranti di 24 ore. Ulteriori ingranaggi possono tenere il conto della data, delle fasi lunari e, nei modelli più sofisticati, anche effettuare calcoli astronomici.

Sono stati studiati sistemi di alimentazione diversi dalla molla o il peso, per eliminare o ridurre la necessità della ricarica. Una curiosa soluzione è l'orologio di Cox, costruito intorno al 1760 e tuttora conservato (non più funzionante) a Londra, che ricavava energia dalle variazioni della pressione atmosferica.
In modelli recenti (a pendolo o a bilanciere) la ricarica della molla poteva essere fatta da un motore elettrico, oppure l'energia poteva essere fornita direttamente al pendolo per mezzo di elettromagneti opportunamente sincronizzati con il movimento di questo, ed eliminando la necessità dello scappamento.

I primi orologi a pendolo di Huygens avevano un errore di circa 10 secondi al giorno. Successivi miglioramenti, tra cui la compensazione della dilatazione termica, la riduzione degli attriti e la collocazione del pendolo in una camera a vuoto, hanno ridotto l'errore fino a pochi centesimi di secondo al giorno nei modelli odierni più sofisticati.

Alternative al pendolo

Un evidente svantaggio dell'orologio a pendolo è l'impossibilità di essere usato in movimento, in quanto il pendolo verrebbe perturbato gravemente nella sua oscillazione cessando di funzionare.
Poiché la misura precisa del tempo è importante per determinare la longitudine in mare, la necessità di un sistema alternativo era molto sentita. La soluzione, ideata nel 1675 da Huygens, proprio per ovviare a questo limite, è il bilanciere, in grado di funzionare in qualunque posizione ed in movimento. È costituito da un volano di opportuna massa fatto ruotare intorno al suo asse e collegato ad un sistema di scappamento simile a quello del pendolo. Il volano ruota con regolarità alternativamente in senso orario ed antiorario, scambiando energia cinetica con energia potenziale accumulata da una molla a torsione a cui è vincolato. Questo dispositivo, notevolmente migliorato, è tuttora in uso negli orologi da polso interamente meccanici.

Una realizzazione intermedia tra le due tecniche è il pendolo a torsione, in cui alcune sfere sono fatte ruotare sospese ad una molla di torsione. Questa soluzione ha però una valenza prevalentemente estetica, in quanto non è più precisa rispetto al pendolo classico e non ha la praticità del bilanciere. Tuttavia questo sistema permette, stante la debolezza ottenibile con la forza di torsione rispetto alla forza di gravità che governa il pendolo, di raggiungere, impiegando la molla come sorgente di energia, autonomia di funzionamento superiore all'anno, contro il mese medio dei piccoli orologi a pendolo da appartamento.

Orologio a doppio pendolo

Nel secolo XX, l'ingegnere inglese William Hamilton Shortt inventò un orologio basato su due pendoli, in grado di raggiungere una accuratezza di un centesimo di secondo al giorno.
In questo sistema un pendolo primario (master), realizzato con una speciale lega a bassa dilatazione termica, oscilla in assenza di influenze esterne e possibilmente all'interno di un contenitore in cui sia stato praticato il vuoto. Questo pendolo entra in contatto meccanico con lo speciale scappamento solamente per una frazione di secondo ogni trenta secondi. Un pendolo secondario (slave) fa avanzare un cricco che ogni trenta secondi attiva un elettromagnete, il quale rilascia una leva che cade per gravità. Questa leva, cadendo sul pendolo primario, gli trasmette un piccolo impulso sufficiente per mantenerlo in oscillazione. La leva è quindi immediatamente lasciata cadere su un contatto elettrico. Questo contatto attiva diverse funzioni:

• attiva un secondo elettromagnete che riporta la leva stessa alla posizione iniziale,
• produce l'impulso per la misura del tempo,
• invia un impulso al meccanismo di sincronizzazione del pendolo secondario.

Poiché il pendolo secondario deve rilasciare la leva al momento giusto, è importante che questo pendolo venga mantenuto sincronizzato entro stretti margini con il pendolo primario.

Per ottenere una maggiore indipendenza da fattori esterni, i pendoli sono montati su supporti antivibrazione e fissati a robusti blocchi di calcestruzzo.

Questo tipo di orologio è diventato di uso comune negli osservatori. È stato il primo orologio sufficientemente preciso da rilevare variazioni stagionali nella velocità di rotazione terrestre.

È interessante notare come questo orologio, ancora imbattuto dagli orologi commerciali, inclusi quelli al quarzo, che raramente arrivano al secondo al giorno, è preciso fino a 0.1 ppm, ovvero un decimo di parte per milione. Pochi strumenti di laboratorio possono competere con lui.

• (EN) Joella G. Yoder. Unrolling Time: Christiaan Huygens and the Mathematization of Nature. Cambridge, Cambridge University Press, 2004. ISBN 9780521524810

Voci correlate

• Pendolo
• Orologio
• Orologio al quarzo
• Orologio a diapason
• Orologio atomico
• Orologio da polso
• Orologio a cipolla
• Cronometro